SS4改型電力機車過電壓吸收電路燒損的原因及改進措施

范榮華

摘 要：隨著朔黃鐵路神華號、和諧號交流機車陸續上線，產生了大量高次諧波，給同交路運輸的SS4改型直流電力機車帶來重大影響，造成過電壓吸收電路中的電阻大面積燒損，分析電阻燒損的原因，并提出有效的改進措施。

關鍵詞：SS4改電力機車；過電壓吸收電路；電阻；電容；高次諧波；燒損；分析；改進

引言

朔黃鐵路全長592公里，橫跨山西、河北兩省，穿越呂梁、太行兩大山區，具有線路坡道大、曲線半徑小、隧道橋梁多的特點，鐵路運輸處有11臺SS4改型電力機車在朔黃鐵路從事煤炭運輸。自2013年初朔黃鐵路首批8臺神華號交流機車開始上線運營起，SS4改直流電力機車開始零星發生電阻接線燒斷、電阻變色現象，到2013年6月底，第二批神華號、和諧號交流機車（共計52臺）投入運用后，開始發生大面積發生電阻燒斷、電容擊穿故障，甚至引發功補柜著火，交流機車產生高次諧波的危害突顯出來了。經統計，僅2013年就更換電阻78個、電壓傳感器12個、電流互感器4個、同步變壓器16個，燒斷電阻接線34次，功補柜著火1次，共造成機車臨碎修184臺次，大幅度增加了行修作業人員和機車乘務員的工作量，嚴重影響了列車運行安全，干擾了正常運輸生產秩序，同時很大程度上提高了單位機車維護保養成本。

為此，朔黃鐵路運輸處技術教育部開始對過電壓吸收電路燒損的原因進行調查、分析，并提出了相應的改造方案，以便從根本上解決交流機車產生的高次諧波對直流機車的危害。

1 過電壓吸收電路燒損原因分析

1.1 過電壓吸收電路工作原理

SS4改電力機車主電路為單相半控橋式整流電路，在變壓器牽引繞組X1-a1、X2-a2、X3-a3、X4-a4側分別并聯一組過電壓吸收回路（由73R與71C、74R與72C、83R與81C、84R與82C組成），利用電容兩端電壓不能突變的特性，有效的抑制操作過電壓和整流換向過電壓。

操作過電壓是當主斷路器閉合、斷開時，產生的突變電流使回路電感上產生大電壓，這一電壓與輸入工頻電壓疊加產生過電壓，其特點是持續時間短。整流換向過電壓是由于晶閘管的開閉使回路電感上產生大電壓，與輸入工頻電壓疊加產生過電壓，其特點是變化幅值大并且頻繁產生。由此可見，過電壓吸收電路在機車牽引電路中的地位非常重要，如果該電路發生問題，將嚴重危及列車運行安全。

1.2 過電壓吸收電路參數分析

對SS4改直流電力機車原過電壓吸收電路中的電阻、電容參數按照無高次諧波（交流機車上線前）和產生高次諧波（交流機車上線后）分別進行分析，并進行對比。

1.2.1 在無交流機車時

SS4改電力機車原過電壓吸收電路采用兩個阻值為6.2Ω、額定功率為600W的電阻并聯（相當于一個電阻3.1Ω、1200W），電容為18μF。

在接觸網為標準網壓25KV時，牽引變壓器次邊繞組上的電壓U為695V，進行如下計算：

容抗Z=■=■=176.929Ω

過電壓吸收電路阻值R'=■=176.956Ω

電流I=■=5.6A

電阻功率P=I2*R=97.2W

經過計算，正常情況下電阻功率為97.2W，盡管SS4改機車出廠設計有缺陷，導致過電壓吸收電阻安裝位置通風狀態不良，電阻產生的熱量不能及時散發，但電阻額定功率為1200W，遠遠超過97.2W，經實踐驗證，在交流機車投入運用以前，直流機車的過電壓吸收電路是可以滿足機車運行安全需要的。

1.2.2 有交流機車時

在黃驊港編組站，對直流機車高壓互感器次邊電網波形進行測量發現，在同一區段，若只有直流機車時，電網為標準波形；當有一臺交流機車通過時，電網波形出現輕微畸變；當有兩臺交流機車同時通過時，電網波形畸變加劇；當前后左右均有交流機車運行時，電網波形發生嚴重畸變，由此可見，在同一區段內，交流機車越多，產生的諧波越復雜，高次諧波越多。

由于機車運行過程中，同一區段有多少臺交流機車無法確定，造成接觸網內的高次諧波極其復雜，無法真實的、詳細的進行計算。可以假定某時刻在接觸網中只存在一種頻率高次諧波，其頻率值在10次（基波為50HZ，10次為500HZ）到50次（2000HZ）之間，查閱相關技術資料，高次諧波約占諧波總量的10%-20%，取15%進行討論。

當為10次諧波時，經計算，容抗Z=17.693Ω；過電壓吸收電路阻值R=17.963Ω，電流I=54.72A，按10次諧波占諧波總量的15%計算，I=54.72*15%+5.6*85%=12.968A，通過單個電阻電流為I/2=6.484A，產生的功率P=521.32W，同理就算出10次諧波到50次諧波區間內的電流、功率值，并制定如表1：

表1

通過表1可以看出，隨著諧波頻次的升高，回路中的電流增加，電阻消耗的功率也不斷加大，遠遠超過了額定功率1200W（2個600W電阻并聯）。原車電阻結構為電阻絲纏繞在陶瓷上，外部為鋁殼結構，中間用石英砂填充，隨著高次諧波的增加，電阻絲的溫度可以達到1000℃以上，而鋁殼的熔點為660℃，電阻絲的熱量通過石英砂（熔點1700℃左右）不斷傳遞到鋁殼上，因此會引發電阻變色、燒斷故障的發生。

2 改進措施

從上文分析可以看出，交流機車產生的高次諧波對直流機車的過電壓吸收電路造成重大影響，會導致電阻鋁殼變色、熔化，產生的鋁熔渣可能將下方的功補柜內的線路、設備燒損；電阻發熱產生的高溫無法及時散發出去，可能將電阻接線引燃，這些都嚴重危及了行車安全。下面，將從原理圖、電阻、隔熱、電阻連接線、線路保護五個方面對過電壓吸收電路進行改進。

2.1 改進原理圖

圖1 改進后的過電壓吸收電路原理圖endprint

同原過電壓吸收電路相比，將原來2個6.2Ω/600W的鋁制電阻更換為3個9.3Ω/3000W的特制線繞電阻，減少了通過每個電阻的電流，提高了電阻可以消耗的功率，而且沒有改變總電路中電阻阻值特性（改造前后電阻阻值均為3.1Ω）。在電路中增加一個快速熔斷器（F1、F2、F3、F4），一旦發生電容擊穿、回路中電流突然增大等異常情況時，可以在短時間能將電路斷開，保護電阻和電路，防止故障擴大。

2.2 用新型的線繞電阻代替原鋁殼電阻

新型的線繞電阻表面噴涂一種專用散熱涂料，能夠增加電阻表面熱量25%以上輻射；加長了電阻的長度，增加了散熱面積；增加了電阻的數量，分擔了熱量；新電阻能夠承受600℃以上的高溫，具有良好的耐熱性能。在環境溫度為17℃時，對新型線繞電阻通過電流能力檢測試驗情況如表2：

表2

通過高次諧波計算可以看出，當為50次諧波時，電路中總電流為36.128A，被3個9.3Ω/3000W的電阻分流后，通過每個電阻的電流為12.042A，根據新型電阻通過能力檢測試驗情況，此時電阻溫度應為334℃左右，考慮環境溫度、機車內密閉空間的影響，電阻表面溫度能控制在400℃左右，而電阻最高能承受600℃以上的高溫，因此新型電阻可以滿足工作要求。

由于新型的線繞電阻本身的特性，即使電阻燒斷，電阻表面的電阻絲會像彈簧一樣自動收縮，不會對機車的其他線路、設備造成影響。

2.3 采取隔熱、絕緣措施

隨著運營的神華號、和諧號交流機車不斷增加，直流機車的過電壓吸收電路不可避免的要吸收很多過電壓，吸收的過電壓要在電阻上以熱能的方式消耗，造成電阻發熱。為了防止電阻在吸收諧波時產生的熱輻射，對周邊電子設備和線路產生影響，在電阻安裝支架的底部、側面安裝隔熱板，隔熱板的主要成分為耐熱、隔熱、不易燃燒的石棉，通過加裝隔熱板將功補柜內的溫度控制在允許范圍內。

將電阻安裝在支架的10mm環氧樹脂絕緣板上，提高了電阻的電氣絕緣性能，防止電阻燒斷后，造成接地、短路故障的發生。

2.4 提高電阻連接線性能

將電阻連接線由原來的2.5mm2/1000V更換為4mm2/3000V的機車專用線，增大電流的通過容量；將電阻連接線的線鼻子由8mm2更換為16mm2，增大與變壓器銅排X1、X2、X3、X4的接觸面；重新設置電阻接線的走線通道，將走線通道設置在隔熱板下方，即可以避免電阻接線受電阻高溫的影響，又可以避免功補柜內接線互相影響；在接線頭處安裝耐高溫套管，以避免電阻接線頭部受電阻高溫熱量輻射的影響。

2.5 在過電壓吸收電路中加裝快速熔斷器

當多臺交流機車同時接近直流機車時，大量高次諧波同時進入接觸網，造成過電壓瞬間增大，可能將電容擊穿，此時變壓器次邊電壓695V全部作用在電阻兩端，通過電阻的電流將達到300A以上，電阻的溫度必將在短時間能達到極致，具有重大火災安全隱患。

在過電壓吸收電路中加裝一個快速熔斷器，它的動作參數為最大電流36A，最大電壓1000V，當發生電容擊穿短路故障時，過電壓吸收電路中的電流瞬間達到300A時，熔斷器可以快速熔斷，將電路斷開，防止電阻長時間通過大電流，發生火災事故。

3 對改進措施的有效性進行檢驗

朔黃鐵路的神池南站、肅寧北站、黃驊港站三大編組站內，每天均有大量神華號、和諧號交流機車到達、轉線、編組、發車，產生的諧波最為復雜，運行條件最為惡劣，改造后的SS4改1175機車在該三大編組站運行情況，最能反映出改進措施的效果。

安排專人在三大編組站，對改造后的機車運行情況進行觀察和測量，具體檢測情況如表3：

表3

經過半個月的跟車檢測發現，電阻表面最高溫度為365℃，在電阻允許最高溫度范圍內；電阻表面溫度達到300℃的概率為31.3%，發生的頻率不是太高；快速熔斷器紅色保護按鈕未跳出，說明電路中的電容未發生擊穿故障；環氧樹脂絕緣板、石棉隔熱板未發生變色等異常情況，說明改進裝置內部溫度不是太高，在允許范圍內；電阻接線接頭、線路未發生老化、燒焦故障，說明隔熱效果明顯、新換電阻接線滿足使用要求。因此，此次改進措施是有效的，可以在其他SS4改電力機車進行推廣使用。

4 結束語

隨著朔黃鐵路擴能改造工程的不斷推進，運量逐年進行攀升，神華號、和諧號交流機車將不斷增加，必將產生更多的高次諧波，使諧波問題更加復雜。在當前交流機車高次諧波無法消除的情況下，只有對直流電力機車的過電壓吸收電路進行有效改進，才能抵御高次諧波對直流機車的沖擊影響。目前，朔黃鐵路運輸處的11臺SS4改電力機車中有7臺進行了改造，改造后的機車未發生過電壓吸收電路故障情況，從根本上保證了鐵路運輸生產的安全。

參考文獻

[1]王奇鐘.韶山4型電力機車操縱與保養[M].中國鐵道出版社，2009.

[2]楊兆坤.韶山4型電力機車乘務員[M].中國鐵道出版社，2008.

[3]閆永革.機車乘務員通用知識[M].中國鐵道出版社，2011.endprint

同原過電壓吸收電路相比，將原來2個6.2Ω/600W的鋁制電阻更換為3個9.3Ω/3000W的特制線繞電阻，減少了通過每個電阻的電流，提高了電阻可以消耗的功率，而且沒有改變總電路中電阻阻值特性（改造前后電阻阻值均為3.1Ω）。在電路中增加一個快速熔斷器（F1、F2、F3、F4），一旦發生電容擊穿、回路中電流突然增大等異常情況時，可以在短時間能將電路斷開，保護電阻和電路，防止故障擴大。

2.2 用新型的線繞電阻代替原鋁殼電阻

新型的線繞電阻表面噴涂一種專用散熱涂料，能夠增加電阻表面熱量25%以上輻射；加長了電阻的長度，增加了散熱面積；增加了電阻的數量，分擔了熱量；新電阻能夠承受600℃以上的高溫，具有良好的耐熱性能。在環境溫度為17℃時，對新型線繞電阻通過電流能力檢測試驗情況如表2：

表2

通過高次諧波計算可以看出，當為50次諧波時，電路中總電流為36.128A，被3個9.3Ω/3000W的電阻分流后，通過每個電阻的電流為12.042A，根據新型電阻通過能力檢測試驗情況，此時電阻溫度應為334℃左右，考慮環境溫度、機車內密閉空間的影響，電阻表面溫度能控制在400℃左右，而電阻最高能承受600℃以上的高溫，因此新型電阻可以滿足工作要求。

由于新型的線繞電阻本身的特性，即使電阻燒斷，電阻表面的電阻絲會像彈簧一樣自動收縮，不會對機車的其他線路、設備造成影響。

2.3 采取隔熱、絕緣措施

隨著運營的神華號、和諧號交流機車不斷增加，直流機車的過電壓吸收電路不可避免的要吸收很多過電壓，吸收的過電壓要在電阻上以熱能的方式消耗，造成電阻發熱。為了防止電阻在吸收諧波時產生的熱輻射，對周邊電子設備和線路產生影響，在電阻安裝支架的底部、側面安裝隔熱板，隔熱板的主要成分為耐熱、隔熱、不易燃燒的石棉，通過加裝隔熱板將功補柜內的溫度控制在允許范圍內。

將電阻安裝在支架的10mm環氧樹脂絕緣板上，提高了電阻的電氣絕緣性能，防止電阻燒斷后，造成接地、短路故障的發生。

2.4 提高電阻連接線性能

將電阻連接線由原來的2.5mm2/1000V更換為4mm2/3000V的機車專用線，增大電流的通過容量；將電阻連接線的線鼻子由8mm2更換為16mm2，增大與變壓器銅排X1、X2、X3、X4的接觸面；重新設置電阻接線的走線通道，將走線通道設置在隔熱板下方，即可以避免電阻接線受電阻高溫的影響，又可以避免功補柜內接線互相影響；在接線頭處安裝耐高溫套管，以避免電阻接線頭部受電阻高溫熱量輻射的影響。

2.5 在過電壓吸收電路中加裝快速熔斷器

當多臺交流機車同時接近直流機車時，大量高次諧波同時進入接觸網，造成過電壓瞬間增大，可能將電容擊穿，此時變壓器次邊電壓695V全部作用在電阻兩端，通過電阻的電流將達到300A以上，電阻的溫度必將在短時間能達到極致，具有重大火災安全隱患。

在過電壓吸收電路中加裝一個快速熔斷器，它的動作參數為最大電流36A，最大電壓1000V，當發生電容擊穿短路故障時，過電壓吸收電路中的電流瞬間達到300A時，熔斷器可以快速熔斷，將電路斷開，防止電阻長時間通過大電流，發生火災事故。

3 對改進措施的有效性進行檢驗

朔黃鐵路的神池南站、肅寧北站、黃驊港站三大編組站內，每天均有大量神華號、和諧號交流機車到達、轉線、編組、發車，產生的諧波最為復雜，運行條件最為惡劣，改造后的SS4改1175機車在該三大編組站運行情況，最能反映出改進措施的效果。

安排專人在三大編組站，對改造后的機車運行情況進行觀察和測量，具體檢測情況如表3：

表3

經過半個月的跟車檢測發現，電阻表面最高溫度為365℃，在電阻允許最高溫度范圍內；電阻表面溫度達到300℃的概率為31.3%，發生的頻率不是太高；快速熔斷器紅色保護按鈕未跳出，說明電路中的電容未發生擊穿故障；環氧樹脂絕緣板、石棉隔熱板未發生變色等異常情況，說明改進裝置內部溫度不是太高，在允許范圍內；電阻接線接頭、線路未發生老化、燒焦故障，說明隔熱效果明顯、新換電阻接線滿足使用要求。因此，此次改進措施是有效的，可以在其他SS4改電力機車進行推廣使用。

4 結束語

隨著朔黃鐵路擴能改造工程的不斷推進，運量逐年進行攀升，神華號、和諧號交流機車將不斷增加，必將產生更多的高次諧波，使諧波問題更加復雜。在當前交流機車高次諧波無法消除的情況下，只有對直流電力機車的過電壓吸收電路進行有效改進，才能抵御高次諧波對直流機車的沖擊影響。目前，朔黃鐵路運輸處的11臺SS4改電力機車中有7臺進行了改造，改造后的機車未發生過電壓吸收電路故障情況，從根本上保證了鐵路運輸生產的安全。

參考文獻

[1]王奇鐘.韶山4型電力機車操縱與保養[M].中國鐵道出版社，2009.

[2]楊兆坤.韶山4型電力機車乘務員[M].中國鐵道出版社，2008.

[3]閆永革.機車乘務員通用知識[M].中國鐵道出版社，2011.endprint

同原過電壓吸收電路相比，將原來2個6.2Ω/600W的鋁制電阻更換為3個9.3Ω/3000W的特制線繞電阻，減少了通過每個電阻的電流，提高了電阻可以消耗的功率，而且沒有改變總電路中電阻阻值特性（改造前后電阻阻值均為3.1Ω）。在電路中增加一個快速熔斷器（F1、F2、F3、F4），一旦發生電容擊穿、回路中電流突然增大等異常情況時，可以在短時間能將電路斷開，保護電阻和電路，防止故障擴大。

2.2 用新型的線繞電阻代替原鋁殼電阻

新型的線繞電阻表面噴涂一種專用散熱涂料，能夠增加電阻表面熱量25%以上輻射；加長了電阻的長度，增加了散熱面積；增加了電阻的數量，分擔了熱量；新電阻能夠承受600℃以上的高溫，具有良好的耐熱性能。在環境溫度為17℃時，對新型線繞電阻通過電流能力檢測試驗情況如表2：

表2

通過高次諧波計算可以看出，當為50次諧波時，電路中總電流為36.128A，被3個9.3Ω/3000W的電阻分流后，通過每個電阻的電流為12.042A，根據新型電阻通過能力檢測試驗情況，此時電阻溫度應為334℃左右，考慮環境溫度、機車內密閉空間的影響，電阻表面溫度能控制在400℃左右，而電阻最高能承受600℃以上的高溫，因此新型電阻可以滿足工作要求。

由于新型的線繞電阻本身的特性，即使電阻燒斷，電阻表面的電阻絲會像彈簧一樣自動收縮，不會對機車的其他線路、設備造成影響。

2.3 采取隔熱、絕緣措施

隨著運營的神華號、和諧號交流機車不斷增加，直流機車的過電壓吸收電路不可避免的要吸收很多過電壓，吸收的過電壓要在電阻上以熱能的方式消耗，造成電阻發熱。為了防止電阻在吸收諧波時產生的熱輻射，對周邊電子設備和線路產生影響，在電阻安裝支架的底部、側面安裝隔熱板，隔熱板的主要成分為耐熱、隔熱、不易燃燒的石棉，通過加裝隔熱板將功補柜內的溫度控制在允許范圍內。

將電阻安裝在支架的10mm環氧樹脂絕緣板上，提高了電阻的電氣絕緣性能，防止電阻燒斷后，造成接地、短路故障的發生。

2.4 提高電阻連接線性能

將電阻連接線由原來的2.5mm2/1000V更換為4mm2/3000V的機車專用線，增大電流的通過容量；將電阻連接線的線鼻子由8mm2更換為16mm2，增大與變壓器銅排X1、X2、X3、X4的接觸面；重新設置電阻接線的走線通道，將走線通道設置在隔熱板下方，即可以避免電阻接線受電阻高溫的影響，又可以避免功補柜內接線互相影響；在接線頭處安裝耐高溫套管，以避免電阻接線頭部受電阻高溫熱量輻射的影響。

2.5 在過電壓吸收電路中加裝快速熔斷器

當多臺交流機車同時接近直流機車時，大量高次諧波同時進入接觸網，造成過電壓瞬間增大，可能將電容擊穿，此時變壓器次邊電壓695V全部作用在電阻兩端，通過電阻的電流將達到300A以上，電阻的溫度必將在短時間能達到極致，具有重大火災安全隱患。

在過電壓吸收電路中加裝一個快速熔斷器，它的動作參數為最大電流36A，最大電壓1000V，當發生電容擊穿短路故障時，過電壓吸收電路中的電流瞬間達到300A時，熔斷器可以快速熔斷，將電路斷開，防止電阻長時間通過大電流，發生火災事故。

3 對改進措施的有效性進行檢驗

朔黃鐵路的神池南站、肅寧北站、黃驊港站三大編組站內，每天均有大量神華號、和諧號交流機車到達、轉線、編組、發車，產生的諧波最為復雜，運行條件最為惡劣，改造后的SS4改1175機車在該三大編組站運行情況，最能反映出改進措施的效果。

安排專人在三大編組站，對改造后的機車運行情況進行觀察和測量，具體檢測情況如表3：

表3

經過半個月的跟車檢測發現，電阻表面最高溫度為365℃，在電阻允許最高溫度范圍內；電阻表面溫度達到300℃的概率為31.3%，發生的頻率不是太高；快速熔斷器紅色保護按鈕未跳出，說明電路中的電容未發生擊穿故障；環氧樹脂絕緣板、石棉隔熱板未發生變色等異常情況，說明改進裝置內部溫度不是太高，在允許范圍內；電阻接線接頭、線路未發生老化、燒焦故障，說明隔熱效果明顯、新換電阻接線滿足使用要求。因此，此次改進措施是有效的，可以在其他SS4改電力機車進行推廣使用。

4 結束語

隨著朔黃鐵路擴能改造工程的不斷推進，運量逐年進行攀升，神華號、和諧號交流機車將不斷增加，必將產生更多的高次諧波，使諧波問題更加復雜。在當前交流機車高次諧波無法消除的情況下，只有對直流電力機車的過電壓吸收電路進行有效改進，才能抵御高次諧波對直流機車的沖擊影響。目前，朔黃鐵路運輸處的11臺SS4改電力機車中有7臺進行了改造，改造后的機車未發生過電壓吸收電路故障情況，從根本上保證了鐵路運輸生產的安全。

參考文獻

[1]王奇鐘.韶山4型電力機車操縱與保養[M].中國鐵道出版社，2009.

[2]楊兆坤.韶山4型電力機車乘務員[M].中國鐵道出版社，2008.

[3]閆永革.機車乘務員通用知識[M].中國鐵道出版社，2011.endprint